Меню

Тиристорные преобразователи напряжения тпн



1.1. ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ – УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Регулировать значение подводимого к двигателю напряжения можно за счет включения в цепь статора дополнительных элементов (резисторов, дросселей насыщения) или с помощью тиристорных регуляторов напряжения (ТРН). Использование ТРН по сравнению с другими способами регулирования напряжения дает ряд преимуществ: электроприводам:

· повышает коэффициент полезного действия (КПД);

· осуществляет бесступенчатое регулирование;

· уменьшает массо-габаритные показатели.

Существует большое разнообразие схем (рис. 1.1) включения силовых вентилей (тиристоров, диодов), позволяющих осуществить бесконтактную коммутацию статорных цепей, асинхронных двигателей и регулировать уровень подводимого напряжения [62]. В приведенных схемах статорные обмотки соединены как в звезду, так и треугольник.

Тиристорные регуляторы напряжения выполняют по симметричным и несимметричным схемам. В симметричных схемах (рис. 1.1 а, б, г, д) коммутирующий элемент состоит из двух встречно-параллельных тиристоров в каждой фазе, при этом управляющие импульсы подаются на тот тиристор, к аноду которого в данный момент времени приложен положительный потенциал сетевого напряжения. В несимметричных схемах (см. рис. 1.1, в) в каждой фазе коммутирующий элемент представлен встречно-

параллельно включенными тиристором и диодом. Наличие диода в коммутирующем элементе упрощает схему управления ТРН, повышает надежность, но несколько снижает диапазон регулирования выходного напряжения.

Во всех приведенных схемах регулирование выходного напряжения достигается за счёт изменения угла сдвига отпирающих импульсов тиристоров с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ).

Задача точного определения напряжения, подводимого к статору двигателя при фазовом управлении, достаточно сложна, так как её решение связано с учётом взаимосвязанных электромагнитных процессов, происходящих в цепях ротора и статора. Поэтому точное математическое описание электромагнитных процессов используется при углубленных исследованиях электропривода с ТРН. Для приближенных инженерных расчетов асинхронный двигатель может быть представлен в виде трехфазной активно-индуктивной нагрузки, параметры которой определяются из схемы замещения двигателя, Т-образной (рис.1.2, а) и Г-образной (рис. 1.2, б).

Работу ТРН на активно-индуктивную нагрузку удобно рассмотреть для случая симметричной схемы. Если симметричная активно-индуктивная нагрузка включена в звезду по нулевой схеме, то ток в каждой фазе не зависит от тока других фаз.

В схеме включения одной фазы (рис.1.3, а) в каждый момент времени значение действующего напряжения сети уравновешивается падением напряжения на вентилях и на элементах RL-цепи:

где – падение напряжения на вентиле; i – ток нагрузки; – соответственно, активное сопротивление и индуктивность двигателя; – амплитуда фазного напряжения.

При закрытых тиристорах падение напряжения на вентиле равно:

При открытом тиристоре, например, VS1 в предположении, что вентили идеальные (прямое сопротивление равно 0), в положительный полупериод напряжение сети можно записать:

Решение уравнения (1.3) относительно тока нагрузки (i) имеет две составляющие: принужденную (iпр) и свободную (icв):

Принужденная составляющая определяется фазным напряжением и сопротивле-нием нагрузки:

где – полное сопротивление цепи нагрузки (двигателя); – угол сдвига между током и напряжением.

Свободная составляющая тока определяется электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки ( ):

где tвкл – момент включения тиристора.

Показатель функции в выражении (1.6) можно представить в виде:

где α = ω tвкл – угол открывания тиристора.

Подставляя в выражение (1.4) значение свободной составляющей тока из выражения (1.6) и принужденной из выражения (1.5) получим:

Значение коэффициента A можно найти из условия, что в момент срабатывания тиристора (w t = a) ток в нагрузке скачком измениться не может (i = 0):

Окончательно уравнение для тока и напряжения нагрузки будет иметь вид:

U = Um×sin(w×t) при a £ w×t £ a + l;

I = 0 или U = 0 при a + l – p — l / tg = 0. (1.11)

Зависимость l от a и j может быть найдена с помощью ЭВМ.

Аналогичные выражения можно получить при анализе процессов в нагрузке при открывании тиристора VS2 (avs2 = p + avs1).

Графики изменения токов и напряжений при коммутации RL-нагрузки показаны на рис.1.3, б. Графики построены для случая, когда угол отпирания тиристора VS1 превышает угол сдвига (j) между током и напряжением. Угол a = j является минимальным углом открывания тиристоров. Действительно, если a p. При этом на некоторых отрезках времени оба тиристора должны проводить ток одновременно, что невозможно, так как падение напряжения на проводящем вентиле создает обратную полярность напряжения на закрытом вентиле.

Максимальный угол отпирания тиристоров для рассматриваемой схемы (см. рис.1.1, а) a = p. При изменении угла регулирования в пределах j £ a £ p к нагрузке приложено несинусоидальное напряжение, и протекает прерывистый ток. Гармонический состав токов и напряжений на нагрузке зависит от схемы включения ТРН.

Читайте также:  При каком напряжении закипает аккумулятор

Характеристики ТРН рассматриваются, в виде семейства характеристик Uтрн=f(a,j) [63]. Обычно выходное напряжение ТРН представляют только его первой

гармоникой, так как другие гармоники (высшие нечётные) оказывают незначительное влияние на момент двигателя.

Для управляемого электропривода целесообразно построить семейство характеристик управления:

при фиксированных значениях угла нагрузки j = const [62]. На рис.1.4. приведены регулировочные характеристики ТРН для двух вариантов схем построения преобразователя: симметричной (см. рис.1.1, б) и несимметричной (см. рис.1.1, в).

Система импульсно-фазового управления принципиально не отличается от СИФУ тиристорного преобразователя постоянного тока. Обычно она строится по вертикальному принципу, при этом на неё накладываются требования по ширине отпирающих импульсов. С учетом того, что значения угла нагрузки для асинхронных двигателей

на ходятся в пределах от jmin

90°, ширина отпирающих импульсов должна быть больше:

Одноканальная асинхронная СИФУ, используемая в промышленных тиристорных регуляторах напряжения типа тиристорные станции управления (ТСУ) СИФУ – аналогово-цифровые с вертикальным принципом управления (рис. 1.5), состоит из пяти основных узлов: аналогово-цифрового преобразователя, генератора, счетчика, дешифратора и шести схем «ИЛИ». По каждому синхроимпульсу «Синх.» в соответствии с сигналом управления аналогово-цифровой преобразователь вырабатывает импульс, который устанавливает счётчик в нулевое состояние, при этом запускается генератор, и счётчик начинает подсчитывать импульсы, вырабатываемые генератором. В соответствии с содержанием счётчика выдаётся сигнал с соответствующего выхода дешифратора (длительность 60º).

При равенстве пяти содержимого счетчика на шестом выходе дешифратора появляется сигнал, блокирующий работу генератора. Генератор будет находиться в заторможенном состоянии до появления следующего импульса с аналогово-цифрового преобразователя.

Схемы «ИЛИ» производят попарно логическое суммирование выходных импульсов дешифратора, обеспечивая расширение выходных отпирающих импульсов (+А, -А, +В, -В, +С, -С) до 120º.

Аналогово-импульсный преобразователь выполнен на элементах А1, А2, D1, интегрирующей цепи С1R13 и дифференцирующей цепи C2R15. Преобразователь за период напряжения сети вырабатывает один кратковременный импульс, сдвинутый от синхроимпульса на время (угол), соответствующее значениям сигнала управления и сигнала обратной связи. Усилитель А2 выполняет функцию компаратора. Генератор выполнен на элементе D6 (микросхема К155АГ3), счётчик D5 (микросхема К155ИЕ5) своим входом соединён с выходом генератора, а выходом – с дешифратором D7 (микросхемой К155ИД4).

В зависимости от входной информации с соответствующего выхода дешифратора выдается сигнал нулевого уровня.

По переднему фронту каждого синхроимпульса «Синх.» дифференцирующей цепочкой С7R5 вырабатывается импульс, по которому элементы D1.3, D1.4 кратковременно открываются, и происходит разряд конденсатора интегрирующей цепи C1R13. По окончании этого импульса через R13 начинается заряд конденсатора С1.

Потенциал на инверсном входе усилителя А2 является опорным сигналом и соответствует значению напряжения сигнала управления, поступающего на вход СИФУ (U’упр = Uупр – Uос). Когда потенциал пилообразного напряжения на конденсаторе С1 (на прямом входе усилителя А2) начнёт превышать потенциал входа 4 этого усилителя, на выходе компаратора появляется сигнал положительной полярности, а с выхода дифференцирующей цепи C2R15 выдаётся кратковременный импульс единичного уровня, по которому счётчик D5 сбрасывается в нулевое состояние (конденсатор С1 продолжает заряжаться до прихода следующего синхроимпульса).

При сбросе счётчика D5 в нулевое состояние на шестом выходе дешифратора D7 устанавливается единичный уровень. Этот сигнал подаётся на вход заторможенного генератора D6 через элементы D2.1, D2.2. При этом обеспечиваются условия для самозапуска генератора, и он начинает генерировать кратковременные импульсы нулевого уровня.

Эти импульсы подсчитываются счётчиком D5, по выходной информации которого на соответствующем выходе дешифратора D7 появляется сигнал нулевого уровня. Для большей надёжности запуска генератора через элемент D2.3 подаётся импульс с дифференцирующей цепочки C2R15. Когда генератор выработает пять импульсов, сигналом с шестого выхода дешифратора, он затормаживается. По переднему фронту очередного синхроимпульса счётчик D5 сбрасывается в нулевое состояние, на выходе 6 элемента D7 устанавливается сигнал единичного уровня, и генератор начинает выработку очередной серии импульсов. Длительность импульсов определяется цепочкой C3R16, а период – цепочкой С6R19.

Каждому уровню сигнала управления соответствует определённое значение напряжения на выходе усилителя А1, а следовательно, и фаза выходного сигнала компаратора А2. Таким образом, с изменением уровня сигнала управления изменяется фаза выходных импульсов. Диапазон регулирования угла открытия тиристоров от 0º до 240º. Ключи «Работа» и «Торможение» обеспечивают подключение входа усилителя А1 к источнику управляющего сигнала или к источнику, определяющему интенсивность торможения.

Источник

Тиристорные преобразователи напряжения (ТПН)

Нереверсивный ШИП с тиристорным ключом

Рис. 2.33.Нереверсивный ШИП с тиристорным ключом

Внешние характеристики НШИП имеют вид (рис. 2.35)

Читайте также:  Стабилизатор напряжения от скачков напряжения 220в для дома

Рис. 2.35. Внешние характеристики НШИП

Рис. 2.36. Графики опорного напряжения и ЭДС с однополярными (а) и разнополярными (б) импульсами

Блочная структура аналогична ТП (рис. 2.37)

Рис. 2.37. Блочная структура ТПН

Рассмотрим схему ТПН для 3-х фазной нагрузки (рис. 2.38)

Рис. 2.38.Схема для трех фазной нагрузки

Регулирование выходного U ТПН производится также, как и у ТП (за счет запаздывания их открывания для каждой полуволны Uф сети)

Режим работы ТПН определяется в соответствии с однофазной схемой замещения (рис. 2.39).

Рис. 2.39.Однофазная схема замещения

Пусть в этой схеме VS1, VS2 закорочены напрямую. Тогда:

Ток в такой сети будет отставать по фазе на угол φ

где Um – амплитудное напряжение сети

где φ – угол между Uc и I

Рис. 2.40. График U и I для одной фазы ТПН

Такой ток будет протекать в нагрузке однофазной схемы с тиристорами VS1 и VS2, если VS1 и VS2 открывать в каждый полупериод в моменты времени, соответствующие углу (штриховая линия рис. 2.40).

2.5. Индуктивно-емкостные преобразователи тока.

Простой и надежный ИТ может быть выполнен на основе индуктивно-емкостной цепи, настроенной на резонанс напряжений (рис. 2.41, а).

Рис. 2.41. Схема (а) и векторная диаграмма источника тока (б)

Режим работы индуктивно-емкостного ИТ описывается системой уравнений Кирхгофа

Решая систему уравнений относительно IH, получаем

Принимая и , получаем

где хр— резонансное значение реактивного сопротивления реактора и конденсатора, Ом; UC – напряжение сети, В.

На рис. 2.42 приведена схема трехфазного источника тока.

Рис. 2.42. Схема трехфазного индуктивно-емкостного источника тока

Схема симметрична, имеет равные значения параметров одноименных элементов и равные токи в этих элементах. Поэтому для определения режимов работы данного ИТ достаточно составить уравнения Кирхгофа для какой-либо одной фазы схемы. Решая их получим

где – добротность реактора; UЛ – линейное напряжение сети, В. Если , то и .

Выражение (*) представляет собой аналитическую зависимость внешней характеристики ИТ, для которого выходной координатой является ток нагрузки, а возмущающим воздействием – напряжение нагрузки (рис. 2.43).

Наклон характеристики определяется статизмом, который при равен:

Рис. 2.43. Внешняя характеристика источника тока

В связи с этим важным показателем индуктивно-емкостного ИТ является максимальное напряжение, на которое должен быть рассчитан реактор.

На рис. 2.44 изображена зависимость напряжения на реакторе от напряжения на нагрузке.

Рис. 2.44. Зависимость напряжения на реакторе от напряжения нагрузки трехфазного индуктивно-емкостного источника тока

Рис. 2.45. Схема (а), Электромеханическая (б) и механические характеристики системы ИТ-Д (в).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Тиристорный преобразователь постоянного тока

Для выравнивания переменного тока в постоянный требуется использование специальных устройств. Тиристорный преобразователь частоты для индукционного нагрева применяется в различных областях промышленности для регулирования напряжения и прочих параметров электрической энергии.

Принцип работы и конструкция

Для преобразования нагрузки может использоваться тиристорный или транзисторный высоковольтный преобразователь на базе IGBT. Тиристорный частотный преобразователь (ТП, ТПР или ТПЧ) – это электрическое устройство для преобразования переменного тока в постоянный, регулирования его уровня и прочих характеристик. С его помощью можно уравнивать различные параметры электрических редукторов: скорость вращения в момент пуска, угол и прочие.

Фото — тиристорный уравнитель

Тиристорный преобразователь применяется для двигателя постоянного тока (ДПТ) вместе с системой автоматического регулирования (FR A700 в Mitsubishi Electric, Siemens Simoreg DC Master, Omron Yaskawa). Он имеет очень широкую область применения благодаря своим достоинствам:

  1. Высокий показатель КПД – до 95 % (к примеру, у модели ПН-500);
  2. Широкий спектр контроля. Его можно использовать для двигателя с мощностью от десятых киловатта до нескольких мегакиловатт;
  3. Способность выдерживать сильные импульсные нагрузки при включении электродвигателя в сеть;
  4. Высокие показатели надежности и долговечности;
  5. Точность в работе.

Но у такой системы есть определенные недостатки. В первую очередь – это низкий коэффициент мощности, который проявляется при глубоком регулировании производственных процессов. Компенсировать его можно при помощи дополнительных устройств. Кроме этого, мощный преобразователь вызывает помехи в электрической сети, что сказывается на работе чувствительного электро- и радиооборудования.

  1. Трансформатор или реактор;
  2. Выпрямительные блоки;
  3. Дополнительный реактор, сглаживающий преобразование;
  4. Система защиты оборудования от перенапряжений.

Большинство современных преобразователей подключаются к трансформатору через реактор. Трансформатор в этой схеме является согласующим звеном между входящим и выходным напряжением, он уравновешивает разницу между ними. Помимо него, электросхема также включает в себя специальный сглаживающий реактор. Этот прибор необходим для нейтрализации определенных пульсаций, возникающих при выпрямлении и изменении типа тока. Но система не всегда включает в себя реактор, т. к. при достаточной индуктивности асинхронного двигателя в нем нет необходимости.

Читайте также:  Характеристика процесса восстановления напряжения при коммутации цепей переменного тока

Агрегат пропускает через автономный инвертор (расположенный во входящем звене) первичную нагрузку. Они попадают в выпрямляющие блоки, установленные в выходном звене. Для подключения других индукционных потребителей используются специальные шины, которые помогают выравнивать питание в целой группе устройств.

Такой преобразователь бывает низкочастотный и высокочастотный. В зависимости от потребных частот и имеющихся параметров электричества подбирается нужная модель. Нужно отметить, что в станках, где используется трехфазный ток, применяется другой тип подключения. Однофазный переносит воздействия и преобразования, в то время как на преобразовании трехфазного тока теряется КПД.

преобразовательный пункт

Фото — преобразовательный пункт

Система используется в плавке металлов, сварочных работах, контроле кранового механизма и многих других производственных и технологических процессах. Применение такого принципа работы позволяет реализовать систему генератор-двигатель без использования генератора. Благодаря этому производится широкая регулировка частот вращения шпинделя даже на самых малых скоростях, настраиваются механические и другие характеристики электропривода и прочие параметры.

Разработка

Электрическая схема тиристорный преобразователь-двигатель (к примеру, КТЭ) для плавного переключения может быть двух видов:

  1. Однофазной;
  2. Многофазной.

В зависимости от типа исполнения варьируются соотношения расчетных единиц и принципы работы преобразователя.

нулевая схема трехфазного преобразованияФото — нулевая схема трехфазного преобразования

На этом чертеже схематически показано изменение электрической энергии при работе тиристорного преобразователя в режиме выпрямителя и инвертора. В то же время, для мостовой схемы можно сделать такую же диаграмму, но только состоящую из двух нулевых. Именно она наиболее часто используется при проектировании преобразователя для станочного оборудования. Это происходит из-за того, что исходное фазовое напряжение в ней в два раза превышает фазовой напряжение (Udo) в нулевой схеме работы.

питание

Фото — питание

Однофазная схема используется для контроля питания и работы привода машин с высоким индуктивным сопротивлением. Она работает в пределах мощности от 10 кВт до 20, намного реже – при больших мощностях. К примеру, подойдет для электрической печи, домашнего станка.

однолинейная схема

Фото — однолинейная схема

Трехфазная используется для оборудования, где требуется от 20 кВт для работы. К примеру, для синхронных приводов, двигателя крана и экскаватора. Еще одной популярной многофазной схемой контроля является шестифазная (Кемрон). Её проект предусматривает использование в конструкции уравнительного реактора, который направлен на контроль низкого напряжения и высокого тока. Этот силовой электрический прибор пропускает и преобразовывает электрическую энергию параллельным путем, а не последовательным (как большая часть аналогичных устройств). Его более сложно разработать своими руками, но степень надежности и эффективности значительно больше, нежели у однофазного тиристорного преобразователя. Но такой реверсивный контроллер имеет серьезный недостаток – его КПД менее 70 %.

Своими руками можно сделать собственный преобразователь, но многое зависит от используемой базы. Внизу дана схема, разработанная на основе Micro-Cap 9. Главной особенностью этой модели является необходимость в совместном моделировании различных узлов.

Схема тиристорного уравнителя

Фото — Схема тиристорного уравнителя

Видео: как работают тиристорные преобразователи

Техническое описание и обзор цен

Характеристики тиристорных преобразователей зависят от типа их исполнения и функциональных особенностей.

Параметры ТПЧ 320 800
Выходная мощность, кВт 320 800
Максимальная полная мощность, кВ-А 640 1250
Частота, Гц 50 50
Входящее напряжение, В 380 500
Максимальный ток, А 630 1000
КПД, % 94 94
Выходное напряжение, В 800 1000
Номинальный ток, А 400
Максимальный ток, А 800
Входящее напряжение, В 460
Габаритные размеры, мм 800x775x1637

ЭПУ-1-1-3447Е УХЛ4 (производитель заявляет, что этот преобразователь может работать в сложных условиях, повышенной пыльности и влажности):

Номинальный ток, А 25
Максимальный ток, А 100
Входящее напряжение, В 380

Но тиристорные преобразователи продаются не только по одной единице, но и в виде выпрямляющих комплексов (КТЭУ). Если единичный уравнитель при поломке нуждается в полном ремонте или демонтаже, то у комплекса производится замена вышедшего из строя оборудования. Такие системы используются как в приводах станков, так и в ЭКТ (комплектных тиристорных электроприводах).

Рассмотрим, какова цена тиристорного преобразователя ABB DCS400:

Город Цена, у. е.
Москва 100
Санкт-Петербург 100
Челябинск 95
Воронеж 98
Самара 95
Новосибирск 95
Ростов-на-Дону 98

Купить устройство можно в любом магазине электрических товаров, прайс-лист зависит от характеристик и типа исполнения.

Источник